Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng vật liệu xây dựng như bê tông xi măng (BTXM) ngày càng tăng cao, dẫn đến sự cạn kiệt nguồn cốt liệu tự nhiên và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường. Theo ước tính, lượng chất thải xây dựng (C&D) tại Việt Nam đã tăng từ 5,3 triệu tấn năm 2014 lên khoảng 6,3 triệu tấn năm 2020, phản ánh xu hướng gia tăng áp lực lên nguồn tài nguyên thiên nhiên. Việc xử lý bê tông phế thải từ các công trình phá dỡ đang là thách thức lớn, trong đó có hai hướng chính: chôn lấp hoặc tái chế sử dụng. Tái chế bê tông phế thải không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn mang lại lợi ích kinh tế đáng kể.

Luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng cốt liệu bê tông tái chế (Recycled Concrete Aggregate - RCA) gia cố xi măng làm lớp móng đường ô tô, nhằm thay thế cấp phối đá dăm tự nhiên truyền thống. Mục tiêu cụ thể là thiết kế cấp phối hợp lý với các tỷ lệ RCA 0%, 25%, 50%, 75% và 100% trong hỗn hợp bê tông tái chế gia cố xi măng (BTTCGCXM), đồng thời đánh giá chất lượng vật liệu qua các thí nghiệm cơ lý như cường độ nén, ép chẻ, mô đun đàn hồi và độ co ngót. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cốt liệu bê tông tái chế có kích thước lớn nhất danh định Dmax 31,5 mm, áp dụng cho lớp móng trên đường ô tô tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển lý thuyết và kỹ thuật sử dụng vật liệu tái chế trong xây dựng giao thông, đồng thời mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi góp phần giảm thiểu khai thác tài nguyên thiên nhiên, xử lý hiệu quả chất thải xây dựng và nâng cao chất lượng công trình giao thông bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết cấp phối vật liệu bê tông và mô hình gia cố xi măng cho cốt liệu tái chế.

  1. Lý thuyết cấp phối bê tông tái chế gia cố xi măng (BTTCGCXM): BTTCGCXM là hỗn hợp vật liệu gồm cốt liệu bê tông tái chế, xi măng và nước, được phối trộn theo tỷ lệ nhất định và đầm nén chặt để tạo thành lớp móng có khả năng chịu lực tương đương cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CPĐDGCXM). Các khái niệm chính bao gồm: cấp phối hạt liên tục, tỷ lệ xi măng tối ưu (5% và 7%), độ ẩm tối ưu, và các chỉ tiêu cơ lý như cường độ nén (UCS), cường độ uốn (FS), mô đun đàn hồi (Mr) và độ co ngót.

  2. Mô hình gia cố xi măng: Xi măng đóng vai trò chất kết dính, liên kết các hạt cốt liệu, tạo cường độ và độ bền cho lớp móng. Tỷ lệ xi măng ảnh hưởng trực tiếp đến cường độ nén và độ bền kéo gián tiếp của hỗn hợp. Ngoài ra, các yếu tố như hàm lượng cốt liệu mịn, độ ẩm và thời gian đóng rắn cũng ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: cốt liệu bê tông tái chế (RCA), cấp phối đá dăm gia cố xi măng (CPĐDGCXM), cường độ nén (UCS), cường độ uốn (FS), mô đun đàn hồi (Mr), độ co ngót, hàm lượng xi măng, độ ẩm tối ưu (OMC), khối lượng thể tích khô tối đa (MDD).

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp phân tích lý thuyết.

  • Nguồn dữ liệu: Cốt liệu bê tông tái chế được thu thập từ bê tông phế thải nghiền tại các công trình phá dỡ, cốt liệu đá dăm tự nhiên lấy từ mỏ đá Thuận Lập, Bà Rịa - Vũng Tàu. Xi măng PCB 40 được sử dụng theo tiêu chuẩn ngành.

  • Thiết kế cấp phối: Các hỗn hợp BTTCGCXM được thiết kế với các tỷ lệ RCA 0%, 25%, 50%, 75%, 100% theo dạng cấp phối chặt, cỡ hạt lớn nhất danh định 31,5 mm. Tỷ lệ xi măng được thử nghiệm ở mức 5% và 7%. Độ ẩm tối ưu và khối lượng thể tích khô tối đa được xác định bằng phương pháp đầm nén tiêu chuẩn.

  • Thí nghiệm cơ lý: Các mẫu hỗn hợp được chế tạo và thử nghiệm các chỉ tiêu: cường độ nén (UCS) theo ASTM C39, cường độ uốn (FS), cường độ chịu kéo gián tiếp (ép chẻ), mô đun đàn hồi (Mr) và độ co ngót. Cỡ mẫu và số lượng mẫu được xác định đảm bảo độ tin cậy thống kê. Thời gian bảo dưỡng mẫu là 7, 14 và 28 ngày để đánh giá sự phát triển cường độ.

  • Phân tích dữ liệu: Kết quả thí nghiệm được so sánh với cấp phối đá dăm gia cố xi măng truyền thống để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của BTTCGCXM. Các biểu đồ quan hệ giữa hàm lượng RCA, tỷ lệ xi măng với các chỉ tiêu cơ lý được xây dựng để minh họa xu hướng và so sánh.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2022 đến tháng 8/2023, bao gồm giai đoạn thu thập vật liệu, thiết kế cấp phối, chế tạo mẫu, thí nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng RCA đến cường độ nén: Kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ nén của hỗn hợp BTTCGCXM giảm nhẹ khi tăng hàm lượng RCA. Cụ thể, hỗn hợp với 25% RCA đạt cường độ nén sau 28 ngày khoảng 42 MPa, tương đương 98% so với mẫu đối chứng 0% RCA (43 MPa). Khi hàm lượng RCA tăng lên 75%, cường độ nén giảm còn khoảng 85% so với mẫu đối chứng.

  2. Tác động của tỷ lệ xi măng: Hỗn hợp sử dụng 7% xi măng có cường độ nén cao hơn trung bình 15% so với hỗn hợp 5% xi măng ở cùng tỷ lệ RCA. Điều này cho thấy việc tăng tỷ lệ xi măng giúp cải thiện đáng kể tính chất cơ học của BTTCGCXM.

  3. Mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo gián tiếp: Mô đun đàn hồi của hỗn hợp BTTCGCXM giảm khoảng 10-20% khi hàm lượng RCA tăng từ 0% lên 100%. Cường độ chịu kéo gián tiếp cũng giảm tương ứng, tuy nhiên vẫn đảm bảo vượt mức yêu cầu kỹ thuật cho lớp móng đường ô tô.

  4. Độ co ngót: Độ co ngót của hỗn hợp BTTCGCXM tăng nhẹ khi hàm lượng RCA tăng, đặc biệt ở tỷ lệ xi măng 7%. Tuy nhiên, mức độ co ngót vẫn nằm trong giới hạn cho phép, không gây ảnh hưởng lớn đến tính ổn định của lớp móng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm cường độ và mô đun đàn hồi khi tăng hàm lượng RCA là do đặc tính vật lý của cốt liệu tái chế có độ xốp cao hơn và độ bám dính kém hơn so với cốt liệu tự nhiên. Điều này làm giảm khả năng liên kết giữa các hạt và xi măng, dẫn đến giảm tính chất cơ học của hỗn hợp. Tuy nhiên, việc gia cố bằng xi măng với tỷ lệ phù hợp (7%) đã giúp cải thiện đáng kể các chỉ tiêu này, bù đắp phần nào sự suy giảm do RCA gây ra.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả của luận văn phù hợp với xu hướng chung khi cường độ nén và mô đun đàn hồi giảm nhẹ nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật khi sử dụng RCA trong lớp móng đường. Ví dụ, nghiên cứu tại Ai Cập và Canada cũng ghi nhận cường độ nén của hỗn hợp có 25-30% RCA tương đương hoặc chỉ giảm nhẹ so với cấp phối đá dăm truyền thống.

Biểu đồ so sánh cường độ nén theo tỷ lệ RCA và tỷ lệ xi măng có thể minh họa rõ xu hướng giảm nhẹ cường độ khi tăng RCA và tăng cường độ khi tăng xi măng. Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm cũng giúp đánh giá chi tiết từng chỉ tiêu cơ lý.

Ý nghĩa của kết quả là BTTCGCXM có thể được ứng dụng làm lớp móng đường ô tô tại Việt Nam, góp phần giảm khai thác tài nguyên tự nhiên và xử lý hiệu quả bê tông phế thải, đồng thời đảm bảo chất lượng công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng tỷ lệ RCA từ 25% đến 50% trong cấp phối BTTCGCXM: Đây là phạm vi tối ưu cân bằng giữa hiệu quả kinh tế, bảo vệ môi trường và đảm bảo tính chất cơ học của lớp móng. Thời gian áp dụng đề xuất trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các nhà thầu xây dựng và cơ quan quản lý giao thông.

  2. Tăng tỷ lệ xi măng lên 7% để cải thiện cường độ: Việc điều chỉnh tỷ lệ xi măng giúp bù đắp sự giảm sút tính chất cơ học do sử dụng RCA, đảm bảo độ bền và độ ổn định của lớp móng. Khuyến nghị áp dụng trong giai đoạn thiết kế và thi công.

  3. Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho BTTCGCXM tại Việt Nam: Cần hoàn thiện các quy định về cấp phối, chỉ tiêu kỹ thuật, phương pháp thử nghiệm và kiểm soát chất lượng vật liệu tái chế để tạo cơ sở pháp lý cho việc ứng dụng rộng rãi. Chủ thể thực hiện là Bộ Giao thông Vận tải và các viện nghiên cứu.

  4. Đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển công nghệ tái chế bê tông: Tăng cường đầu tư nghiên cứu để nâng cao chất lượng cốt liệu tái chế, giảm độ xốp và cải thiện độ bền liên kết, đồng thời phát triển các phương pháp xử lý bề mặt cốt liệu. Thời gian thực hiện dài hạn, chủ thể là các trường đại học và viện nghiên cứu.

  5. Tuyên truyền, đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư, nhà thầu và cán bộ quản lý về lợi ích và kỹ thuật sử dụng BTTCGCXM nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tế. Chủ thể là các cơ quan đào tạo và hiệp hội ngành xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm quý giá về vật liệu bê tông tái chế, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn và phát triển đề tài liên quan.

  2. Các kỹ sư thiết kế và thi công công trình giao thông: Thông tin về cấp phối, tỷ lệ xi măng và các chỉ tiêu kỹ thuật giúp họ lựa chọn vật liệu phù hợp, tối ưu hóa chi phí và nâng cao chất lượng công trình.

  3. Cơ quan quản lý và ban ngành xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật cho vật liệu tái chế, góp phần hoàn thiện chính sách phát triển bền vững ngành xây dựng.

  4. Các nhà thầu và doanh nghiệp tái chế vật liệu xây dựng: Thông tin về tính khả thi và hiệu quả của BTTCGCXM giúp họ phát triển sản phẩm, mở rộng thị trường và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

  1. BTTCGCXM là gì và có ưu điểm gì so với cấp phối đá dăm truyền thống?
    BTTCGCXM là hỗn hợp bê tông tái chế gia cố xi măng, sử dụng cốt liệu bê tông phế thải thay thế một phần hoặc toàn bộ đá dăm tự nhiên. Ưu điểm gồm giảm khai thác tài nguyên, xử lý chất thải xây dựng hiệu quả, giảm ô nhiễm môi trường và chi phí vật liệu.

  2. Tỷ lệ RCA tối ưu trong cấp phối BTTCGCXM là bao nhiêu?
    Theo kết quả nghiên cứu, tỷ lệ RCA từ 25% đến 50% là tối ưu, đảm bảo cường độ và tính chất cơ học tương đương hoặc gần bằng cấp phối đá dăm truyền thống, đồng thời mang lại lợi ích kinh tế và môi trường.

  3. Tỷ lệ xi măng ảnh hưởng thế nào đến chất lượng BTTCGCXM?
    Tăng tỷ lệ xi măng từ 5% lên 7% giúp cải thiện cường độ nén, mô đun đàn hồi và độ bền kéo gián tiếp của hỗn hợp, bù đắp phần giảm sút do sử dụng cốt liệu tái chế có đặc tính vật lý kém hơn.

  4. BTTCGCXM có phù hợp để làm lớp móng đường ô tô không?
    Kết quả thí nghiệm cho thấy BTTCGCXM đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về cường độ, độ bền và độ ổn định cần thiết cho lớp móng đường ô tô, phù hợp với điều kiện thi công và vận hành tại Việt Nam.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng BTTCGCXM trong thực tế?
    Cần áp dụng các phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn như xác định cường độ nén, cường độ uốn, mô đun đàn hồi và độ co ngót, đồng thời kiểm soát chặt chẽ tỷ lệ phối trộn, độ ẩm và thời gian bảo dưỡng mẫu để đảm bảo chất lượng vật liệu.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và thử nghiệm thành công cấp phối bê tông tái chế gia cố xi măng với các tỷ lệ RCA từ 0% đến 100%, cỡ hạt lớn nhất 31,5 mm, phù hợp làm lớp móng đường ô tô.
  • Kết quả thí nghiệm cho thấy BTTCGCXM có cường độ nén, mô đun đàn hồi và độ bền kéo gián tiếp đạt yêu cầu kỹ thuật, đặc biệt khi sử dụng tỷ lệ xi măng 7%.
  • Việc sử dụng BTTCGCXM góp phần giảm khai thác tài nguyên tự nhiên, xử lý hiệu quả bê tông phế thải, giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí xây dựng.
  • Đề xuất áp dụng tỷ lệ RCA từ 25% đến 50% trong thực tế, đồng thời hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và nâng cao nhận thức về vật liệu tái chế trong ngành xây dựng giao thông.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu ứng dụng thực tế, phát triển công nghệ xử lý cốt liệu tái chế và xây dựng chính sách hỗ trợ ứng dụng vật liệu xanh trong xây dựng.

Hành động ngay: Các nhà quản lý, kỹ sư và nhà thầu nên xem xét tích hợp BTTCGCXM vào các dự án giao thông để thúc đẩy phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.